Datenübertragung per Stromleitung

Power Line Communication (PLC) nutzt Stromleitungen zur Kommunikation.Texas Instruments

Manchmal ist das Eh-Da-Prinzip eine gute Idee: Wenn eine Lampe, eine Maschine oder ein anderes technisches Gerät am Stromnetz hängt und mit einem Steuergerät kommunizieren soll, dann kann man funken oder zusätzliche Datenkabel verlegen. Allerdings ist das Stromkabel „eh da“ – warum also nicht auf diesem Weg eine Datenverbindung einrichten? Das Resultat dieser Überlegung heißt Powerline Communication (PLC, siehe Infokasten „Historie“). Aufgrund neuer Standards und günstiger Bauteile lohnt es sich für Embedded-Entwickler zusehends, sich mit PLC zu beschäftigen und die eigenen Produkte auf diese Weise zu vernetzen.

Frequenzbänder und Modulationsverfahren

Das Frequenzspektrum von 1 MHz bis 30 MHz wird von der Breitbandkommunikation mit Datenraten über 100 MBit/s auf dem Application Layer (Anwendungsschicht) und bis zu 200 MBit/s auf dem Link Layer (Verbindungsschicht) belegt. Damit ist die Übertragung von Internetdaten, VoIP, HiFi-Audio und sogar HDTV über vorhandene Stromkabel möglich. Als Consumer-Anwendungen sind etwa WLAN Access Points, Ethernet- und USB-Brücken oder Lautsprecher zu erwähnen.

Ein Problem ist bisher die Inkompatibilität der Übertragungsprotokolle verschiedener Anbieter. Unter dem Namen G.hn gab die ITU im Jahr 2009 die Empfehlung G.9960 für Bitübertragungsschicht und Anno 2010 die ITU-Empfehlung G.9961 für die Sicherungsschicht einer neuen Heimnetzwerk-Technologie heraus, die eine einheitliche Basis für die Interoperabilität schaffen soll.

Bild 1: Das Schmalband-Frequenzspektrum für die Powerline-Kommunikation dient verschiedenen Applikationen und ist daher für verschiedene Protokolle reserviert.Texas Instruments

Die Schmalband-Powerline-Kommunikation wird weltweit durch die drei Hauptparameter Frequenzband, Modulationsverfahren und Übertragungsprotokoll definiert (Bild 1). In Europa werden die Frequenzbänder durch das Europäische Komitee für elektrotechnische Normung (CENELEC) festgelegt. Sie sind unterteilt in CENELEC A (3…95 kHz) für die Energieversorger sowie CENELEC B (95…125 kHz), C (125…140 kHz) und D (140…148,5 kHz) für Endanwender-Applikationen. Die Protokollschicht für die Bänder A, B und D wird durch Normen festgelegt oder ist proprietärer Natur. Lediglich das Protokoll für das C-Band ist reguliert (CSMA). Außerhalb der EU wurden andere Frequenzbänder festgelegt: In den USA gibt es einen durchgehenden Breitbandbereich von 150 bis 450 kHz; das Band von 10 bis 490 kHz ist von der FCC (Federal Communications Commission) definiert. In Japan hat die Association of Radio Industries and Businesses (ARIB) das Band von 10…450 kHz eingerichtet, während es in China ein Band von 3…90 kHz und ein nicht reguliertes durchgehendes Band von 3…500 kHz gibt.

Typische Schmalband-Applikationen sind bislang Automatic Meter Reading (AMR) und Automatic Meter Management (AMM) für Stromzähler, Licht- und Jalousiensteuerungen in der Home-Automation sowie die industrielle Automatisierungstechnik.

Auswahl je nach Applikation

Das Modulationsverfahren beeinflusst die verfügbare Datenrate, die Unempfindlichkeit des Kommunikationskanals gegenüber dynamischen Störungen und die Systemkosten, etwa hinsichtlich der Leistungsfähigkeit des Mikrocontrollers und des Speichers. Mehrere Modulationsverfahren stehen für die schmalbandige Powerline-Kommunikation zur Verfügung. Das FSK-Verfahren (Frequency Shift Key) und das B-PSK-Verfahren (Binary Phase Shift Key) bringen es zwar nur auf Datenraten von etwa 1…2 kBit/s, sie sind jedoch einfach zu implementieren und sehr kosteneffektiv.

Komplexer und deshalb schwieriger zu implementieren sind das Differential Code Shift Keying (DCSK) oder das Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). Hier sind jedoch Datenraten bis zu 128 kBit/s möglich, und die Betriebssicherheit bei der Übertragung auf Kanälen mit hohem Störaufkommen ist deutlich größer. Insbesondere die OFDM-Technik hat in den letzten Jahren wachsendes Interesse gefunden und dient bereits als Grundlage für mehrere Standards beispielsweise auf dem AMR-Markt.

Die OFDM-Technik unterteilt das Signal in kleinere Subsignale und überträgt sie gleichzeitig auf mehreren orthogonal versetzten Trägerfrequenzen. Hierdurch ist die Übertragung weniger anfällig. Wird die Multiple-Access-Fähigkeit eingerichtet, indem man einem bestimmten Datenstrom mehrere Subträger zuordnet, kann man dies für Übertragungsredundanz nutzen oder um mit mehreren Senken gleichzeitig zu kommunizieren. Diese Variante mindert auch Interferenzen und Signalabschwächungen.

Standards für das Übertragungsprotokoll

In der Powerline-Kommunikation kommen zahlreiche Protokolle zum Einsatz. DALI, KNX, EE-Bus und PRIME spielen eine immer wichtigere Rolle im Automatic Meter Management und in der Gebäudeleittechnik: DALI (Digital Addressable Lighting Interface) ist ein gebührenfrei nutzbares, nicht proprietäres und bidirektionales Protokoll, das in der Gebäudeautomation zur Steuerung von Vorschaltgeräten dient. Die maximale definierte Datenrate beträgt 1,2 kBit/s bei 16 V. Abgesehen von einer Ringstruktur ist jede Netzwerktopologie mit maximal 64 Geräten realisierbar, etwa Vorschaltgeräte, manuelle Dimmer und Präsenzdetektoren. In größeren Installationen lassen sich mehrere Busse miteinander vernetzen. Eine Rekonfiguration des Netzwerks bis zum einzelnen Vorschaltgerät oder zur einzelnen Leuchte herab ist per Software vom Host aus möglich. Jedes Vorschaltgerät ist mit einem kleinen Mikro­controller ausgestattet, der als Master für Schalt- und Dimmbefehle dient und auch als Sensor fungieren kann, etwa um den Energieverbrauch oder einen Leuchtenausfall zu melden.

Der offene, internationale Standard KNX (ISO/IEC, CENELEC, China) ist für die Heim- und Gebäudeautomation gedacht. Er vereint frühere Standards wie European Home Systems Protocol (EHS), Batibus und den European Installation Bus (EIB, Instabus). KNX ist unabhängig vom physischen Übertragungsmedium. Die leitungsgebundene Übertragung (zum Beispiel Twisted-Pair, Powerline, Ethernet) kommt somit ebenso in Betracht wie die drahtlose Übertragung per Funk oder Infrarot. Twisted-Pair-Implementierungen erreichen eine Datenrate von 9,6 kBit/s bei 30 V. Damit ein Produkt das KNX-Zeichen tragen darf, muss es eine Konformitätsprüfung bestehen, bei der nicht nur das Protokoll, sondern auch die standardisierten Datentypen geprüft werden.

Der EE-Bus ist für den Datenaustausch und die Bereitstellung von Services zwischen Energieversorgern und privaten Haushalten gedacht. Dieser Standard wurde im Rahmen der E-Energy-Initiative definiert. Er enthält kein neues Protokoll, sondern setzt auf vorhandene leitungsgebundene und drahtlose Protokolle auf. Ein Gateway abstrahiert und übersetzt die Daten, die der Energieversorger an die Haushalte schickt (Outbound Communication Layer) sowie die Verbindung mit den energieverbrauchenden Endgeräten im Haushalt (Inbound Communication Layer) über Stromkabel (KNX), Datennetzwerk (TCP/IP) oder drahtlos (Zigbee).

EE-Bus-Endgeräte sind zum Beispiel Kühlgeräte, Waschmaschinen oder Geschirrspülmaschinen, deren Betriebszeit sich in Zeiten größtmöglicher Energieverfügbarkeit verlagern lässt. Diese Kommunikation kann außerdem die Effizienz verbessern, wenn private Haushalte als Energielieferanten dienen – sei es per Photovoltaik-Anlage oder Elektrofahrzeug, dessen Batterie als Energiepuffer dient. Der Umfang der über den Inbound-Layer übertragenen Daten erfordert eine Erweiterung des physischen KNX-Layers. Das neue Protokoll KNX PL+ (KNX over Powerline) arbeitet deshalb im CENELEC B-Band und nutzt die OFDM-Modulation.

Powerline Intelligent Metering Evolution (PRIME) wurde von Iberdrola, Texas Instruments, STM, Landis+Gyr, Itron, Current Group, Ziv Group und Advanced Digital Design gegründet. Ziel war ein offenes, öffentliches und nicht geschütztes Kommunikationssystem für Automatic Meter Management sowie für das Smart Grid im Allgemeinen. Das PRIME-Protokoll ist für Niederspannungsleitungen mit geringem Störaufkommen konzipiert. Es sieht höhere Datenraten (21…128 kBit/s) vor und nutzt das CENELEC A-Band (42…90 kHz). Demgegenüber ist das G3-Protokoll für Mittelspannungsleitungen und niedrigere Datenraten (2,4…34 kBit/s) ausgelegt und nutzt ebenfalls das A-Band (35…90 kHz).

Die Powerline Communication Library (PLC-Suite), die Texas Instruments für seine Echtzeit-Mikrocontroller der C2000-Familie anbietet, umfasst nicht nur PRIME und G3, sondern auch eine SFSK-Lösung gemäß IEC 61334 sowie eine Flex-OFDM-Lösung für kundenspezifische Smart-Grid-Lösungen, etwa vernetzte Photovoltaik-Wechselrichter oder Beleuchtungssysteme.

Embedded-Anwendungen

Für die Powerline-Kommunikation haben sich mehrere Anwendungen ergeben – die wichtigsten sind heute AMR und AMI (Advanced Metering Infrastructure). AMR ermöglicht den Energieversorgern lediglich das Auslesen von Daten aus dem Stromzähler, das anspruchsvollere AMI dagegen gestattet die bidirektionale Kommunikation zwischen Energieversorger und Verbrauchsmesser. Damit sind ausgefeiltere Applikationen möglich, etwa das fortlaufende Aktualisieren des Stromtarifs sowie Prepaid-Dienste. Powerline-Kommunikation eignet sich auch für Beleuchtungen – im einfachsten Fall zum Ein- und Ausschalten der Straßenlaternen. Aufwerten lässt sich diese Applikation durch die Überwachung des Lampen-Vorschaltgeräts, um bevorstehende Ausfälle zu erkennen oder den Energieverbrauch zu ermitteln.

Mit Powerline-Kommunikation ist es problemlos möglich, die Effizienz und die Verluste jedes einzelnen Panels einer PV-Anlage zu überwachen. Praktischerweise eignet sich Powerline gleichermaßen für Gleich- und Wechselstromleitungen und kann Daten vor und nach dem Wechselrichter übertragen. Das hilft auch beim Laden der Batterien von Elektrofahrzeugen: Unabhängig davon, ob die Batterie Energie vom häuslichen Wechselstromanschluss oder aus einer Gleichstromquelle unterwegs erhält, kann die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladestation mit ein und derselben Powerline-Kommunikationshardware erfolgen, um das Fahrzeug zu identifizieren oder neue Preistabellen zu laden.

Die neue Piccolo-Mikrocontrollerfamilie TMS320F2806x verbindet einen leistungsstarken, programmierbaren 32-Bit-Core mit Beschleunigern für die schmalbandige Powerline-Kommunikation, die in den Chip integriert sind. Systementwickler können damit ihr Powerline-Modem per Software auf verschiedene Modulationsverfahren und Protokolle abstimmen und gleichzeitig eine Applikation laufen lassen. Das Blockschaltbild in Bild 2 illustriert, wie ein einzelner Piccolo-Controller LED-Strings verwaltet, und enthält zusätzliche Funktionen für die Leistungsfaktorkorrektur und die Powerline-Kommunikation.

Bild 2: Vernetzte Straßenbeleuchtungs-Lösung auf Basis eines Piccolo-Mikrocontrollers von Texas Instruments.Texas Instruments

Um sich auf verschiedene Modulationen, Normen, Bitraten, Frequenzbänder und Anforderungen an die Betriebssicherheit einzustellen, können Entwickler entweder mehrere PLC-Hardwarekombinationen oder eine flexible Lösung nutzen. Texas Instruments bietet eine solche flexible Hardwarelösung an, die sämtliche Aspekte abdeckt. Sie besteht im Wesentlichen aus zwei Bausteinen: dem Analog-Frontend und dem Mikrocontroller für die Verarbeitung des Software-Stacks.

PLC-Hardware

Das Analog-Frontend (AFE) enthält in seinem Sendepfad einen 10-Bit-D/A-Wandler, einen Filter und den Ausgangs-Leistungsverstärker. Im Empfangspfad sind zwei PGAs (Programmable Gain Amplifier) und ein Filter vorhanden – außerdem zwei für den S-FSK-Betrieb erforderliche Nulldurchgangserkenner und ein Euridis-Interface. Das AFE kommuniziert über einen vieradrigen SPI-Bus mit dem Mikrocontroller TMS320F28PLCx, einem Ableger der TMS320F2806x-Familie. Wie die Typenbezeichnung erkennen lässt, wurde dieser Mikrocontroller gemäß den Anforderungen einer PLC-Lösung entwickelt.

Das wichtigste Merkmal des TMS320F28PLCx ist die VCU (Viterbi & Complex Math Unit). Dieses Modul, das einen eigenen Befehlssatz besitzt, entlastet die CPU von rechenintensiven PLC-Algorithmen. Der Viterbi-Decoder wird für die Forward Error Correction (FEC) verwendet, während die komplexen Mathematik-Instruktionen in großem Umfang vom FFT-Algorithmus (Fast Fourier Transform) genutzt werden. Der CRC-Beschleuniger als dritter Block der VCU benötigt lediglich drei Zyklen zur Berechnung des CRC-Wertes eines 32 Bit breiten Datenworts. Bereits bekannte Features der TMS320F28x-Familie finden sich ebenfalls in diesem Mikrokontroller, etwa der eingebaute SAR-ADC mit 12 Bit und 3 MSample/s, hochauflösende PWM-Ausgänge oder der mit einem 128 Bit breiten Passwort geschützte Flash-Speicher.

PLC-Software

Texas Instruments hat sich für eine voll programmierbare Lösung auf Mikrocontroller-Basis entschieden. Damit kann eine einzige Hardwarelösung mehrere Standards unterstützen: PRIME, G3 und S-FSK sowie das proprietäre Flex-OFDM sind in separaten Softwarepaketen verfügbar. Im Regelfall wird die betreffende Image-Datei in den Flash-Speicher des TMS320F28PLCx geladen. Die Datenkommunikation mit dem benötigten Applikationsprozessor erfolgt nach dem TI-eigenen PLC Suite Host Message Protocol über eine zweiadrige UART-Schnittstelle. Der Softwareentwickler muss nur den entsprechenden Teil dieses umfassend dokumentierten Protokolls in den Applikationsprozessor integrieren, das PLC-Modem fungiert als Black-Box.

Der zum Lieferumfang gehörende PLC Quality Monitor (PQM) als Bestandteil der auf dem Computer laufenden PLC Host Tools nutzt dasselbe Protokoll. Mit ihm kann man selbstentwickelte PLC-Hardware mit einem bekannten Gegenstück testen. Der PQM ist in der Lage, die PLC-Hardware auf verschiedene Weise zu programmieren. Damit lassen sich beispielsweise Tests mit dem PHY-Layer durchführen, um die Qualität der Verbindung zwischen zwei PLC-Modems zu prüfen.

Zudem erlaubt es das Softwarekonzept, neben der PLC-Software auch das Applikationsprogramm im TMS320F28PLCx zu integrieren. Möglich ist dies dank der exponierten Software-Schichten des jeweiligen Software-Stacks. Im Falle von PRIME sind das beispielsweise PHY, MAC, IPv4 Convergence Layer (CL) und der IEC-61334-4-32 LLC-Layer (Logical Link Control) in Form von Bibliotheken mitsamt detaillierter API-Dokumentation. Für eigene Projekte eignet sich die Code-Composer-Studio-IDE. Nicht immer sind alle Software-Layer nötig: Beispielsweise kann eine Applikation ohne Netzwerk (also eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung) den PHY-Layer nutzen, während MAC, IPv4 CL und LLC entfallen. Hiermit lassen sich Prozessorzyklen und Speicher sparen und für die Endanwendung nutzen. Ein solches PHY-Beispiel ist in jedem Softwarepaket enthalten.

Im Interesse eines effektiven Hardwarekonzepts ist möglicherweise ein System-on-Module (SoM) die richtige Wahl. Es wird in eine Basisplatine eingesteckt, die sie mit den erforderlichen Spannungen und Signalen versorgt. Mit diesem Ansatz ist das PLC optional und lässt sich bei Bedarf leicht auf einen anderen PLC-Standard umrüsten. Das SoM-Board enthält neben Mikrocontroller und AFE auch die zugehörigen passiven Bauelemente; dennoch ist es nur halb so groß wie eine Kreditkarte (ohne Stromversorgung und Kopplerschaltung). An Signalen sind mindestens das UART-Interface und das mit der Kopplerschaltung verbundene, modulierte bidirektionale PLC-Signal erforderlich. Das SoM benötigt außerdem zwei Versorgungsspannungen: 3,3 V für Mikrocontroller und AFE sowie 15 V für die AFE-Leistungsstufe. Diese ist für den Crestfaktor erforderlich, der wegen der OFDM-basierten Standards eine Rolle spielt.

Bild 3: TI PLC Modem Development Kit (TI PLC DK).Texas Instruments

Kommunikative Zukunft

Die bereits seit den 1930er Jahren existierende Powerline-Kommunikation erlebt derzeit einen enormen Aufschwung als Wegbereiter künftiger Smart Grids. Sie kann E-Metering oder Beleuchtungen aufwerten oder neuere Anwendungen wie das Laden von Elektrofahrzeugen vereinfachen. All dies gehört zum Thema Smart Grid: Es geht um Kommunikation.

Solange Systementwickler viele verschiedene PLC-Standards unterstützen müssen und sich die entsprechenden Protokolle noch in der Entwicklung befinden, ist eine per Software konfigurierbare Lösung wünschenswert. Die neue Piccolo-Subfamilie F2806x von Texas Instruments bietet nicht nur diese Flexibilität, sondern bringt überdies genügend Leistungsreserven mit, um parallel dazu auch beispielsweise eine eingebettete Spannungsversorgungsanwendung zu verarbeiten.

(lei)